Biyokütlelerin ve organik atıkların enerjiye çevrilme ve biyoparçalanabilirlik özellikleri çok yüksektir. Geleneksel olarak biyogaz yakıtları içten yanmalı motorlarda elektrik üretimi için kullanılırlar. Ancak yenilikçi teknoloji olarak organik atık materyallerinin anaerobik parçalanması sonucu çıkan metan hidrojene çevrilebilir. Böylece bu enerji yakıt hücrelerine gönderilerek daha yüksek verim elde edilebilir ve gaz emisyonları düşürülerek çevresel faydalar sağlanabilir. Prosesten çıkan katı materyaller ise organik gübre olarak değerlendirilebilir ki geniş şekilde kullanılan kimyasal gübrelerin yerini alabilecek seviyededir.
68
Gelişmenin öğelerinden önemli birkaçı atık yönetimi, enerji yönetimi ve kırsalların gelişme planıdır. Bu bakımdan kırsal yerlerde bu planların yerinde planlanması önemlidir. Bu sistemle organik maddelerin geri dönüşümü sağlanıp enerji ihtiyacı için de hidrojen ve elektrik üretilecektir.
Anaerobik Parçalanma: Anaerobik parçalanma (AD) doğal bir olaydır ve oksijene ihtiyaç duyulmamaktadır. Organik maddelerin bakteriler tarafından parçalanması sonucu zengin biyogaz ve sıvı-katı lifli materyaller elde edilir. Üretilen biyogazın % 60’ı metandır ve CO2 ile az miktarda H2S (hidrojen sülfür) ve NH3 (amonyak) içerir. Metanın atmosferde parçalanması daha fazla zarara yol açar.
Atık İçeriği: Biyogaz alanın ve yakıt hücre bağlantılarının dizaynı atığın bulunduğu yerden taşınmasına göre yapılmıştır. Tablo 7.1’de atığın içerdiği kuru katılar (DS) ve uçucu katılar (VS) bulunmaktadır.
Tablo 7.1 Atık içeriği [17]
Kaynak Yıl başına
ton % DS Yıl başına ton % VS Yıl başına VS tonu Kesimhane 62 15 9 90 8 Deniz Tarımı 350 10 35 90 32 Kara tarımı 3000 8 240 77 185 Yemek Artıkları 50 22,5 11 92,5 10 Yemekhane Mutfakları 300 22,5 68 92,5 62 Ev Mutfakları 300 22,5 68 92,5 62 Kanalizasyon 3000 5 150 80 120 Enerji Mahsulleri 1200 20 240 89 214 Toplam 8262 125,5 821 8703,5
Biyogaz Teknolojisi: AD bakterilerin organik içerikleri enzimsel reaksiyonlarla metan ve basit organik bileşiklere çevirdiği biyolojik bir prosestir. Bu 3 aşamadan
oluşur. Bunlar hidrosis, asidojenesis ve metanojenesistir. Bu aşamalarda çeşitli parametreler önem arz etmektedir. Bunlar PH, sıcaklık, DS içeriği, bekleme süresi, organik yükleme oranı, Karbon–Azot oranı ve karıştırmadır.
Biyogaz Teknoloji Seçenekleri: Şekil 7.1’de biyogaz alanı gösterilmiştir. Son günlerde 2 aşamalı parçalanma havuzları yaygınlaşmıştır. Bu sistem PH kontrolünü kolaylaştırır. Deneyde ideal olarak kolay parçalanabilen meyve ve sebze atıklar kullanılmıştır. Parçalayıcılar sürekli kaynayan tek reaktörlüdür ve bu sistem yüksek nem içeren atıklar için uygundur.
Şekil 7.1 AD sisteminin genel yapısı [17]
Biyogaz Alan Dizaynı ve Enerji Hesaplamaları: Genel dizaynın metodolojisi ve proses ile ısı akışı Şekil 7.2’de gösterilmiştir.
70
Biyogaz Verimi: Biyogaz hesapları Tablo 7.1’de verilen atık içeriğine göre yapılmıştır. Bu hesaplamalar benzer DS ve VS içeriği olan materyallerle aynı verimdedir. Sistem analizi Şekil 7.2’de verilerek bölümlere ayrılmıştır.
Biyogaz alanı Şekil 7.3’te gösterilmiştir. Dizayn şu anda kullanılan çiftlik ve tarımsal alanlara uygun yapılmıştır. Yapım maliyetleri kısa sürede kendini amorti etmektedir.
Şekil 7.3 Biyogaz alanı temel yapıları [17]
Enerji Verimi: Hesaplanan enerji verimleri 1890 kg/gün DS ve 1560 kg/gün VS içindir. Enerji değeri olan metan 890,3 kJ.mol lük metandan hesaplanıp değeri 11,04 kWh/m3’tür. Enerji verim dağılımı Tablo 7.2’dedir.
Tablo 7.2 Enerji verim hesaplaması [17]
Biyogaz Üretimi 717,6 m3/gün
Metan Üretimi (% 60) 430,56
Enerji Verimi (11i04 kWh/m3 metan) 4753,3 kWs/gün
Yanma motoru elektriği 1663,65 kWs/gün
CHP üretimi (% 35)
Isı üretimi (% 50) 8555,4 kWs/gün
Proses Isı İhtiyacı 3788,82 MJ/gün
Isı üretim fazlası olanağı 4766,582 MJ/gün veya 483 MWs/yıl Yıllık elektrik üretimi 545,2 MW/yıl
Maliyetin % 5’i işletme giderleri olarak ayrılmalıdır. Bu giderler parça değişimi, sigorta, taşıma maliyetleri ve lisans vergileridir.
Yakıt Hücre Sistemi: Alkalin bazlı FC (AFC) kombine ısı ve güç ünitesi (CHP) olan sistem Sgriob-Ruadh peynir yapma alanında kullanılmaktadır.
AFC teknoloji diğer yakıt hücre sistemlerine karşın proton değişim membranı (PEM) gibi açık avantajlara sahiptir. PEM in avantajı dışarıdaki kullanımlarında düşük donma noktası ve potasyum hidroksit elektrolite sahip olmasıdır (~ 50 °C).
FC ünitesi metandan direk olarak hidrojen eldesi ile doldurulabilir. Labratuar bazlı alkalin yakıt hücresi Şekil 7.4’tedir. FC nin hibrit düzenlenmesinde CHP ünitesi elektriğe ihtiyaç duyabilmektedir.
72
Şekil 7.4 Laboratuar tipi alkalin yakıt hücresi [17]
Pilli Hibrid Yakıt Hücre Sistemi: 2,4 kWe alkalin yakıt hücreli CHP sistemi ile kurşun asit pilli enerji depolama sistemi Şekil 7.5’te gösterilmiştir. Yakıt hücre – pil hibrid sistemi yenilenebilir güç jeneratörü ile uygun bir inverter yardımıyla bağlanacaktır. Pil yönetim sistemi anlık şarj durum monitörüne bağlanmaktadır. FC ünitesinin integral fonksiyonu ile kontrol edilmektedir. Bu ünite Şekil 7.6’da gösterilmiştir. Yakıt hücre ünitesi ana yükleme durumunda elektriksel güç üretecektir ve elektriksel güç ihtiyacı < 2,4 kWeolduğunda pil yeniden şarj edilecektir.
Şekil 7.6 Hibrid yakıt hücresinin kontrolörü [17]
Yakıt Hücresinin Elektriksel Karakterisazyon Modeli: Alkalin yakıt hücresinin denk devre modeli Şekil 7.7’de gösterilmiştir. Buradaki Nernst voltajı kontrol edilen voltaj kaynağı ve reaksiyon türlerinin kısmi basıncını temsil etmektedir. Yakıt hücresinin iç direnci Ri, Ohmic direnç ve her iki elektrodun elektriksel dirençlerini temsil etmektedir. Parazitik kayıplarda paralel resistor Rp temsil edilmektedir.
74
Yığının dinamik davranışı ise 3 dinamik proses tarafından yönlendirilmektedir. Bunlar elektro kinetikler, yakıt hücresindeki reaktan ve ürünlerin kütle taşınımı yakıt hücresinin çift katmanlı kapasitesidir.
Bu etkiler paralel RC dalları kullanarak geçilmektedir. Çift katma kapasitesi Cd sabit bir değere sahiptir ve elektrotların fiziksel yapılarına dayanır.
Modelde elektro kinetiklerin ve kütle transferinin etkileri belirli bir resistör Ro ile temsil edilmektedir.
Bazı Basit Öngörüler: Hücrenin devresinin açık durumdaki sıcaklığının lineer yaklaşım fonksiyonu Şekil 7.8’de gösterilmiştir.
Şekil 7.8 İdeal standart yük ve sıcaklık diyagramı [17]
AFC Elektriksek kayıplar: Teorik EMF gerçekte ulaşılamaz çünkü çeşitli geri dönüşü olmayan kayıplar vardır. Bunlar aktivasyon kayıpları, ohmic kayıplar ve konsantrasyon kayıplarıdır. Bu kayıplar Şekil 8.9’da gösterilmiştir.
Şekil 7.9 Tek bir hücre için ideal yakıt hücresinin voltaj devre karakteristiği [17]
Sonuç olarak yerel organik atıkları, alan doldurma yerine hidrojen ve yakıt hücre sistemi ile değerlendirme denenmiştir. Bu sistem diğer sistemlere göre fazla yatırım maliyetine sahiptir.